沙尘暴天气数值预报系统及其预报效果检验

沙尘暴天气数值预报系统包括区域大气模式、陆面过程模式、风沙模式(包括风蚀、输送和沉降模式)和地理信息系统。用该系统对2002年3月20日和4月7日2次沙尘天气进行了预报试验,利用地面观测资料和卫星观测资料对模式输出的主要沙尘天气预报产品进行了对比分析。分析结果认为,沙尘暴天气数值预报系统对沙通量、尘通量和垂直积分质量有很好的预报能力,但仍需改进陆面参数和沙尘气溶胶的初始值。     

嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用

主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS,Nested Air Quality Prediction Modeling System)的历史发展与应用情况.模式发展伊始为欧拉污染物输送实用模型,利用其研究东亚硫氧化物的跨国输送问题,得出中国对于周边国家的输送量不大的结论; 在系统中嵌入适合东亚的起沙机制模块,用来模拟沙尘发生、输送及沉降等过程,估算亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量,为研究海洋生物地球化学循环提供基础数据; 利用该系统研究沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用,发现沙尘输送对东亚酸雨的分布影响很大; 发展城市尺度高分辨率气象和空气质量预报技术,使模式水平分辨率达到500 m,并应用于台北高浓度臭氧和PM10的模拟; 研究和集成区域及城市尺度大气污染预报理论和模拟技术,研制成目前的嵌套网格空气质量预报模式系统,以探讨不同尺度各种污染(如沙尘暴、城市光化学烟雾、酸雨、高浓度悬浮颗粒物等)的变化规律.在模式系统中初步建立资料同化模块,开展大气化学成分及沙尘输送模拟的资料同化研究.系统已经在北京、上海、深圳、郑州等城市环境监测中心实施空气质量的实时预报.未来,系统将集成到全球环境大气输送模式(GEATM),以实现从城市群到全球具有双向耦合功能的模式系统.     

沙尘天气定量分级方法研究与应用

利用已有的关于能见度与沙尘浓度统计反演关系的研究成果,对沙尘天气进行了定量分级研究.利用2004、2005年春季3～5月沙尘天气地面气象观测资料,采用沙尘天气的强度分类与反演的沙尘浓度分级的统计方法,建立了不同沙尘天气(扬沙、沙尘暴和强沙尘暴)对应的沙尘浓度等级,并通过对2006年沙尘天气的实例分析,验证了该种分级方法的可用性.通过由能见度反演的观测结果与沙尘数值预报模式的对比分析,探讨了沙尘数值预报业务模式产品的天气学释用方法,建立了不同强度沙尘天气与沙尘数值模式输出的浓度之间的定量分级关系.     

黑风暴的沙尘形成与输送参数化及中尺度数值试验

西北地区典型黑风暴和强沙尘暴都是在特定大尺度环流背景和中尺度系统相互作用下发生和发展的，而中、低空强锋区相伴的强冷锋移经沙源充足的大沙漠区是黑风暴和强沙尘暴形成和发展的必要条件。为了研究黑风暴和沙尘暴的沙尘形成、输送及沉降机制，本文提出了一种沙尘源、汇项的参数化方案和一个沙尘输送方程，进而引入已有的ＭＭ４中尺度数值模式模拟系统；应用这个改进和发展的模式模拟系统基本成功地模拟了“９３．５”黑风暴的天气系统演变及其沙尘浓度的近地层和垂直分布以及沙尘的沉降与输送。模拟结果分析表明，用包括沙尘输送方程及其沙尘源、汇项参数化方案的中尺度数值模式来研究黑风暴的沙尘形成、输送和沉降机制是一种具有应用前景的方法。     

基于定量监测的沙尘暴定量预报方法

近年来,内蒙古自治区建立了6个沙尘暴监测站,对沙尘天气进行了连续、定量观测,在预报业务工作中可以得到器测能见度、PM10、TSP等定量数据,为沙尘暴的定量分析和预报提供了基础条件.选取了2004-2007年间内蒙古地区10次较强沙尘暴天气过程,利用内蒙古自治区的6个沙尘暴监测站器测资料,结合常规观测资料进行了分析.分析表明:器测数据具有连续、稳定、定量的优势;但器测数据与现行沙尘天气业务标准存在很大差异,需要新的分级标准.在现有数据条件下,初步确定了器测能见度、PM10的沙尘天气分级标准;讨论了沙尘暴形成的定量条件和机制,以沙尘综合指数、摩擦速度等为预报因子建立了器测能见度、PM10的沙尘暴定量预报方程.该预报方法在2008年的业务试用中预报效果较好.     

沙尘辐射效应对天气和沙尘输送影响的数值模拟

现有的沙尘气溶胶数值预报模式大多是单向模式, 即只考虑气象场对沙尘气溶胶的输送作用, 而忽略沙尘气溶胶的辐射效应对气象场的反馈作用。本文利用一个考虑了沙尘气溶胶短波辐射效应的天气－沙尘双向模式, 对南疆盆地一次冷空气东侵而引起的沙尘天气进行数值模拟。通过比较考虑与不考虑辐射效应的两组试验, 分析了在沙尘暴－强浮尘过程中沙尘辐射效应对气象要素和沙尘输送的影响, 结果表明: 沙尘辐射效应的考虑明显改进后期强浮尘天气过程中海平面气压变化、地面气温日变化和气温垂直变化的预报; 前期沙尘暴过程沙尘辐射效应引起中低层主导风增大, 但同时使起沙量降低及沉降量减少; 沙尘辐射效应与地形的共同作用使沙尘的沉降量比起沙量减少的更显著, 从而使盆地内浮尘天气维持。     

贺兰山地区沙尘暴沙尘起动和垂直输送物理因子的综合研究

根据 4a来在贺兰山两侧沙漠和沙地测站积累的微气象和沙尘谱观测资料 ,结合有关文献 ,综合分析了沙尘起动和垂直输送的物理机制 ;讨论了强风的动力作用、近地面不稳定层结的热力作用和沙尘物质源特征 ;概述了不同尺度天气系统中上升运动特征 ,沙尘的沉降末速计算、沙漠地表的湍流输送特征和垂直速度资料、沙漠地表的超绝热梯度出现的频率和强度及逆湿现象 ,沙漠和沙地的沙尘粒度、地表性质和沙土含水率对起动风速的影响。     

多尺度空气质量模式系统及其验证I. 模式系统介绍与气象要素模拟

主要介绍一个多尺度空气质量模式系统及其在东亚地区的应用. 这套模式系统充分考虑了天气系统与中、小尺度气象过程对污染物的输送、扩散、转化和迁移过程的影响, 区域与城市尺度之间大气污染物的相互影响, 以及污染物在大气中的气相与液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉积过程对浓度分布的影响, 可用于区域与城市尺度对流层臭氧、大气气溶胶、能见度和其他空气污染物的预报和环境评价. 模拟的气象要素(风向、风速、温度和湿度)与TRACE-P 和ACE-Asia期间三架飞机上获取的观测资料的比较结果表明, 模拟值与其相应的观测值具有非常好的一致性, 它们的相关系数都超过了0.96.     

2009年4月北方一次强沙尘暴过程的特征分析和数值模拟

利用观测资料对2009年春季4月22-24日强沙尘暴过程的近地面气象要素(气温、气压、风速)变化和PM10进行分析.结果表明:蒙古气旋和冷锋是这次强沙尘暴的主要影响系统;沙尘暴过程前后温、压和风速有剧烈变化;PM10的强度能较好地反映沙尘暴强度.在观测资料分析基础上,利用沙尘暴数值预报系统对此次过程进行了模拟,采用模拟结果对地面沙尘浓度和起沙进行了分析.结果表明:模式能较好地模拟出这次沙尘天气的时间和空间演变特征,模拟沙尘浓度大值区与强沙尘暴的范围较为一致,比较白天早间和下午的沙尘浓度分布,发现其具有日变化;这次大范围的沙尘天气的起沙中心分别是南疆塔里木盆地、甘肃、内蒙古的西部及蒙古国南部,垂直沙通量超过50 mg·m2·s-1;沙尘浓度垂直输送的高度在550hPa以下,起沙后的沙尘粒子主要靠对流层低层的大风长距离地输送;对不同地区起沙过程贡献最大的沙尘粒子的粒径不尽相同,但是对起沙量贡献最大的是粒径在2μm相似文献   

一次沙尘暴中尺度低压和沙尘输送的数值模拟

利用ＰＳＵ／ＮＣＡＲ中尺度数值模式（ＭＭ４），以常规观测资料为初始场，成功地模拟了造成“９４．４．５”沙尘暴天气的主要天气系统张掖热低压。并通过给原有的中尺度模式系统加入沙尘输送方程和驱动地面沙尘抬升参数化方案，用改进后的中尺度数值模式系统，成功地模拟了沙尘抬升和输送，与实况比较一致。     

北京风沙天气的气溶胶特征

利用常规气象观测资料、卫星云图以及1988、1990、1992、1993、1995、2000年等年北京风沙天气期间所采集的气溶胶样品的分析结果,研究了北京的风沙天气分布特征,风沙期间大气污染状况,产生风沙天气的主要原因及沙尘的来源等.初步得出北京的风沙天气主要出现在春季,是造成春季大气污染的重要原因之一;北京春季风沙天气是由沙尘暴、浮尘和扬沙造成,但以扬尘引起的频率为最高,占71.4%;风沙期间大气气溶胶与无风沙时气溶胶的物理化学特征有明显的差异;大气气溶胶的物理化学特征显示出,风沙期间的大气气溶胶主要来源于自然源,以局地尘源为主,人为排放的气溶胶作用相对减弱.     

乌兰察布地区一次大范围沙尘天气过程分析

运用常规气象观测资料,从天气环流形势的演变过程及有关物理量变化状况,对2010年3月19—20日发生在乌兰察布地区沙尘天气过程做了客观分析。分析结果表明：造成这次沙尘天气过程的主要影响天气系统是蒙古气旋和地面冷锋。蒙古气旋后部西北强冷空气侵入为起源于蒙古国西南部以及内蒙古西中部周边沙尘的输送提供了动力条件;地面冷锋过境使该地区温度梯度增大,空气对流上升加剧,为上游输送而来的尘土、沙石卷入空中浮悬提供了抬升条件。两者共同作用促使沙尘天气过程持续时间长、范围广,并伴有扬沙和沙尘暴出现。     

1998年“4.18”强沙尘暴分析及数值模拟

对1998年4月18－19日发生在新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地的一次强沙尘暴天气过程从天气事实、天气学成因等方面进行了分析和诊断，然后利用非静力MM5模式对这次沙尘暴天气进行了数值模拟。结果表明，西西伯利亚强冷空气迅速东移，在新疆西部上空形成强锋区，对应的地面冷锋东移至前期增暖显著的新疆、内蒙古、甘肃、宁夏等地形成了本次大风、强沙尘暴天气。用非静力MM5模式较好地模拟出了此次强沙尘暴天气过程的地面强风系统、高空锋区的发生发展。     

中国北方沙尘天气气象场的数值模拟

利用PSU/NCAR的非静力中尺度气象预报模式MM5对北方地区气象场进行模拟,通过对2001年3月21日发生并影响北京地区的沙尘过程的数值实验表明,该模式能够较好地模拟和预测北方沙尘天气的时空演变特征。低值系统以及其低层辐合、高层辐散的垂直结构,可以产生很强的上升气流,形成地面起沙和沙尘上扬,而强风是沙尘输送的动力条件。利用轨迹模式对空气质点轨迹进行了模拟研究,可以较好地反映沙尘的发生源区和输送路径,与卫星监测和天气系统分析是一致的。并编写软件用于演示气象场的动态效果。     

沙尘天气产生的气候背景及物理机制

沙尘天气发生频率、强度与大风、干旱过程、异常大气环流的气候背景以及人为因素有关。它的物理过程是地表上升气流把疏松地表尘粒带入空中,并且在一定层结条件下形成和加强的。利用1958~2000年内蒙古中西部70个测站的沙尘暴观测资料,对沙尘暴的地理分布、时间分布特征进行了统计分析。结果表明:内蒙古中西部有三个强沙尘暴多发中心,沙尘暴年代际变化和年际变化较明显,且沙尘暴集中出现在春季的3~5月份。     

西北地区沙尘暴天气监测预警服务业务系统

西北地区沙尘暴天气监测预警服务业务系统由沙尘天气资料库、沙尘天气监测、沙尘天气预报和沙尘天气服务4个子系统构成,是一个具有较好物理基础、较强监测预报服务能力、较高自动化程度并具有西北区域沙尘暴气候特色的综合业务系统,业务试运行期间,在2003、2004年春季几次沙尘暴天气的预报服务中发挥了重大作用,并取得了良好的社会经济效益。该系统为西部大开发气象服务提供了有力的技术保障,为西部地区环境保护和环境监测奠定了基础。     

德州一次沙尘天气过程成因及气溶胶粒子的输送路径分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料分析了2017年5月4日浮尘和5月5日扬沙天气的成因。结果表明：3日20时—4日08时,蒙古气旋在有利的环流背景下迅速发展,配合冷锋在内蒙古中部和东部形成大范围的强沙尘天气;4日20时—5日08时沙尘通过高空气流输送到华北地区,在自身沉降和较强下沉气流的共同作用下,迅速沉降形成华北地区大范围的浮尘天气;5日08—14时由于西北路冷空气影响,横槽转竖,冷锋加速南下,将大量沙源地的沙尘输送到德州造成扬沙天气。通过HYSPLIT模式对本次过程中气团后向轨迹的模拟,证实以上两个阶段沙尘天气过程中的输送方式及路径。通过分析影响系统、物理量和气象要素发现,蒙古国、我国内蒙古中部沙源地天气系统强度、位置的变化直接影响沙尘天气的类型,高层气流变化与沙尘天气的类型有很好的对应关系。     

2000年4月5～7日浑善达克沙地沙尘暴天气过程分析

利用内蒙古浑善达克沙地11个代表站的观测资料以及NCEP再分析资料，对2000年4月5－7日发生在我国华北地区的扬沙、沙尘暴天气过程进行 气象要素分析、环流特征分析以及物理量诊断分析，力图为今后沙尘暴的预报研究提供一定的科学依据。